王桂香 李瑾 王朝 張鑫培 魏高兵 高林波
摘要:本文設計了一款多用途梯子,其結構采用口字型鋁制材料,利用十個鉸接連接,實現折疊功能,可以把梯子折疊成晾衣架、鞋架及直梯,通過不同的折疊方式,能讓梯子在多種功能之間相互轉換,并且輕便、可靠。借助于有限元分析計算軟件ANSYS,建立梯子的模型,通過定義單元類型、網格劃分,設定約束載荷,進行力學特性分析,結果表明,梯子的應力與變形均符合要求。
關鍵詞:折疊梯 結構 設計 ANSYS
中圖分類號:TP391.7 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2016)09-0134-01
1 引言
在社會飛速發展的今天,我們不僅追求著方便和快捷,同時也在追求著物品的多功能化以及簡潔化。梯子作為日常生活的一個必需品,不僅應用于房屋的裝修,公共設施的維修,也廣泛應用于家庭,例如高處物品的整理,家用電器的維修。我國是一個人口大國,無論是建筑業還是日常生活,梯子都是我們日常生活中不可或缺的一種物品。
然而,梯子作為一個常用的物品,仍然存在著很多不足。在房屋裝修過程中,沉重的木梯和木凳不僅笨重,而且使用不方便,高度難以調整;在家庭生活中,常見的人字梯使用時雖然方便,但閑置時,對人均占地面積遠遠不及世界水平的大國來說,這無疑是一個龐然大物,同時也影響家庭的美觀。因此,對這個必需品來說,它的多功能化以及便捷化性能的提高是十分必要的。
針對施工梯和家用梯應用中的不便,近年來,不同地區的用戶有不同的解決辦法。不少折疊梯設計的更為輕便,便于攜帶;也有不少家用梯降低了高度,將傳統的鋁合金改為優質的木質組成,雖然提高了美觀,但對于房屋較高處的物品,例如燈泡等家用小電器的拆卸,清洗和維修造成了不便。因此,設計一款多用途折疊梯子是很有必要的。
2 多用途折疊梯的結構設計
由于鋁合金具有比重小、易于成形、價格低廉等優點,對于多功能梯的材料選擇輕便的硬鋁合金材料,硬鋁合金的許用應力[σ]= 380MPa。取其由多個口字型框架、鉸鏈、卡緊裝置等組成,平時不用時,可以折疊起來,或者折疊成我們所設計出來的鞋架、晾衣架和小桌結構,滿足日常生活的需要;使用時,將梯子展開,能調節到各種高度,由卡緊裝置卡緊,變成梯子。
為實現折疊的功能,在梯子上設置10個關節點,梯子的關節上設有扳手、彈簧卡子,到一定的角度上,彈簧能自動打開將關節鎖死,能分別折成35°,95°及180°,將梯子頂部的關節裝置方向與下面八個關節裝置方向相反,使梯子在從人字梯變成方形的鞋架更容易,結構更加堅固可靠。通過對梯子頂部增加伸縮桿,使梯子實現晾衣架的功能;通過對梯子增加伸縮布,在梯子腳踏處增加伸縮布,使梯子實現鞋架的功能;多個關節折疊,使梯子能折成直梯,人字梯以及方形鞋架等多種形狀,具體結構如圖1所示。
所設計的折疊梯,改變傳統和常用梯子結構功能單一,笨重,體積過大和長度過長而造成的不便,主要應用于室內裝修及屋頂墻面部件和裝飾品的安裝及維修,實現高度可調,實現一梯多用,使其具于多功能化,便于攜帶,方便使用以及便于貯藏。
3 受力分析
在運動過程中,折疊機構要求強度高,平穩性好,不變形,到位準確,因此需要對機構中的主要桿件進行力學特性分析,以確定是否滿足強度與剛度要求。
借助于有限元計算軟件ANSYSY,建立梯子的三維模型,進行靜力學分析??紤]受載的情況,只分析其中某一踏板的力學特性。將梯子踏板受力情況分為兩種:一種是上下梯子時單腳站立的情況,假設人的體重為65kg,單腳站立時受力6500N;另一種是雙腳同時站立在梯子上,雙腳同時分擔人的重量,每只腳受力為3250N,雙腳間距假設100mm;根據以上兩種受力情況,在ANSYSY中分別建立梯子踏板的有限元模型,采用單元類型為六面體一階單元,定義材料的屬性:彈性模量設為70GPa,泊松比設為0.3,進行網格劃分,將兩端設為剛節點進行約束設定,按以上兩種情況分別在相應的位置施加集中力荷載,通過運算求解,得到應力圖如圖2所示。
從應力云圖可看出,無論是單腳站立還是雙腳站立時,該梯子的最大應力小于硬鋁合金的許用應力[σ]=380 MPa,滿足強度要求,從而可以保證結構穩定,能夠實現平穩傳力。
根據踏板的位移圖可知,無論何種情況,位移均不是很大,能夠滿足剛度要求。
4 結語
梯子作為家居生活中的必需品,除了能做梯子使用外具備的其它用途,設計的梯子便攜、輕便,使用伸縮布、伸縮桿等裝置,實現了晾衣、鞋架等多功能,通過折疊為使用者提供各種高度的使用平臺,集多種梯子高度于一體,更為方便,深受人們的歡迎,有廣闊的市場前景。
參考文獻
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